礦井沿空巷道防沖卸壓與圍巖控制綜合實施研究與應用

高玉生 韓傳磊 劉尊剛

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272000）

1 3305 工作面概況

義橋煤礦生產條件復雜，主要表現在采深大，斷層多，頂板厚硬巖層多。3305 工作面是該礦井三采區第二個綜放工作面，其北側為3303 采空區，設計形狀為一刀把形，是一個較典型的不規則工作面，工作面北側沿3303采空區，留設區段煤柱為5 m，也是一側沿采空區回采的工作面，其南側為SF21正斷層（落差0～60 m，傾角60°），東側為三采區膠帶下山，西側為YF7 斷層（落差＞500 m，傾角＜60°）。工作面整體埋深為430～720 m，工作面開采范圍呈“刀把”形，軌道順槽長1432 m，膠帶順槽長1240 m，膠帶順槽外段長734 m，切眼長155 m，回采后期工作面加寬至240 m（地面為農田，無其他較大構筑物），具體布置如圖1。

3305 工作面開采山西組3 煤層，煤層厚度為3.5～5.2 m，平均厚度4.1 m，平均傾角13°，普氏硬度1.48，地層構造基本為單一斜構造，受斷層影響，煤層傾角局部變化較大。煤層頂底板巖層情況見表1。

經煤巖層沖擊傾向性鑒定試驗[1-5]，3 煤層動態破壞時間平均值為161 ms，沖擊能量指數平均值為1.38，彈性能量指數平均值為2.28，單軸抗壓強度平均值為14.47 MPa，綜合判定3 煤層具有弱沖擊傾向性。3 煤頂板巖層彎曲能量指數為272.23 kJ，判定頂板巖層具有強沖擊傾向性。

圖1 3305 工作面井下位置關系圖

表1 煤層頂底板巖層情況表

由圖1 可知，3305 工作面軌道順槽沿空掘進，區段煤柱寬度為5 m。軌道順槽斷面為矩形，凈寬4400 mm，凈高3300 mm，采用錨網索梁+W 鋼帶梁支護。錨桿規格為Ф20×2400 mm，間排距為800 mm×800 mm；金屬網采用1000 mm×2000 mm的軋花平網；錨索規格為Ф18 mm×5000 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排3 根；W 鋼帶規格為4200 mm×280 mm。

2 大直徑鉆孔卸壓對圍巖穩定性的影響

2.1 大直徑鉆孔卸壓機理

假設圓形鉆孔直徑為r0，假設鉆孔處于靜水應力狀態，建立大直徑鉆孔力學模型，大直徑鉆孔受均布壓應力作用，根據彈性力學理論，可簡化為平面應變問題。在圍巖高應力作用下，鉆孔周圍煤體將發生塑性破壞。根據彈塑性力學理論，得出鉆孔周圍應力分布和塑性區半徑可表示為：

式中：σθp和σrp分別為塑性區內切向應力和徑向應力；r為塑性區內一點距鉆孔中心點的距離；rp為塑性區半徑。

將鉆孔周圍塑性區邊界上的徑向應力等效為對彈性區作用的外力，則可以得出鉆孔周圍塑性區之外彈性區內的應力分布為：

式中：σθe和σre為彈性區內切向應力和徑向應力。

在巷道圍巖中實施大直徑鉆孔后，在圍巖高應力作用下每個鉆孔周圍一定范圍內煤體將產生劈裂破壞并形成塑性區，鉆孔周圍破碎帶和塑性區的產生使得圍巖中的高應力向更深處轉移。當相鄰的多個大直徑鉆孔塑性區疊加后，則在巷道圍巖內形成具有一定寬度的破裂帶，鉆孔卸壓破裂帶形成的過程中將耗散掉大部分圍巖中積聚的彈性應變能，從而降低沖擊危險。此外，當發生沖擊時，大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出。

2.2 大直徑鉆孔卸壓對圍巖變形的影響

受3303 工作面采空區側向支承集中應力的影響，3305 軌道順槽采掘期間沖擊危險性較高。為預防軌道順槽采掘期間發生沖擊地壓災害，在軌道順槽掘進過程中對其實體煤幫進行了大直徑鉆孔預卸壓處理。根據義橋煤礦三采區地質情況和礦井鉆孔施工經驗，大直徑鉆孔參數：重點防沖區域按照間距2.0 m 施工大直徑鉆孔，鉆孔深度為20 m，孔徑150 mm，單排布置，鉆孔距巷道底板1.2～1.5 m。

3305 工作面軌道順槽實體煤幫實施鉆孔卸壓預處理后，煤體中形成弱化帶，使應力峰值減小，峰值位置向圍巖深部轉移，改善了巷道圍巖應力環境，使潛在的沖擊危險得以消除。而卸壓鉆孔的開挖增加了鉆孔鄰近區域支護結構的軸向拉力，同時高密度的大直徑鉆孔實施破壞了錨固范圍內圍巖的強度和整體性，給本就容易發生大變形破壞的沿空巷道維護帶來極大困難。

為對比大直徑鉆孔卸壓對圍巖變形控制的影響，對實施大直徑鉆孔后3305 工作面軌道順槽圍巖變形規律進行了監測，如圖2。

圖2 巷道表面變形規律監測

由圖2 可知，對比未進行常規大直徑防沖鉆孔卸壓巷道圍巖變形監測數據，實施大直徑鉆孔卸壓區域的巷道兩幫移近量最大為337 mm，未卸壓巷道圍巖兩幫最大移近量僅190 mm。得出：大直徑鉆孔卸壓區域兩幫破壞程度較大，防沖卸壓鉆孔對巷道圍巖控制產生不利影響。

3 防沖卸壓與圍巖變形協同控制技術

3.1 防沖卸壓與圍巖變形協同控制原理

針對沿空巷道沖擊地壓防治過程中出現的鉆孔卸壓與圍巖控制相矛盾的問題，認為在巷道圍巖進行鉆孔卸壓的同時又不破壞或少破壞巷道圍巖淺部錨固區的整體強度，是防沖卸壓與巷道圍巖控制協同治理的關鍵。

在大直徑鉆孔實施后，采用有效的方式提高或恢復巷道圍巖淺部錨固區內煤體的強度，弱化錨固區內鉆孔塑性區的擴展，減小鉆孔卸壓對巷道圍巖承載結構的破壞，確保鉆孔卸壓在對巷道圍巖穩定性影響盡量小的同時，達到應力轉移的目標，以實現沖擊地壓災害與巷道圍巖控制協同治理。

3.2 防沖卸壓與圍巖變形協同控制關鍵技術

考慮到大直徑鉆孔對巷道圍巖淺部錨固區的破壞效應，提出在大直徑卸壓鉆孔實施后，采用預制混凝土柱對巷道圍巖淺部錨固區內的大直徑鉆孔進行局部非密實充填處理。

巷道圍巖錨固層內鉆孔進行局部非密實充填處理后，在不影響大直徑鉆孔卸壓效果的同時，降低了錨固層內鉆孔塑性區的擴展范圍，且預制混凝土柱與鉆孔壁之間的未充填空隙還為巷道圍巖變形提供了一定補償空間，吸收一部分變形，從而減小巷道變形量。當巷道圍巖錨固層范圍內鉆孔變形后，孔壁與預制混凝土柱產生擠壓力，提高了巷道圍巖錨固層范圍內煤體的整體強度和承載力，有利于巷道圍巖變形控制。

4 現場試驗

在3305 工作面軌道順槽進行了現場試驗，在試驗段巷道生產幫施工大直徑卸壓鉆孔，具體參數為：間距2.0 m，鉆孔深度為20 m，孔徑150 mm。大直徑卸壓鉆孔實施完畢后，將預制好的混凝土柱充填至巷道圍巖錨固層的鉆孔內。混凝土柱截面為圓形，直徑140 mm，每節混凝土柱的長度為1 m，每個鉆孔充填3 節混凝土柱，即大直徑鉆孔局部充填深度為3 m。在試驗段巷道表面設置測站，對巷道表面位移進行監測，監測結果如圖3。

圖3 巷道表面位移監測

由圖3 可知，對巷道圍巖錨固層內大直徑卸壓鉆孔進行局部充填后，鉆孔卸壓效果未出現明顯的變化，而巷道頂底板移近量以及兩幫移近量出現明顯的下降趨勢，其中兩幫移近量最大值較未充填區平均減小106%，頂底板移近量最大值較未充填區平均減小35%，兩幫移近量變化較為明顯。結果表明：采用預制混凝土柱對錨固區內大直徑鉆孔進行局部非密實充填處理對巷道支護和變形的控制效果較為理想。

5 結論

（1）建立煤層大直徑卸壓鉆孔力學模型，推導了鉆孔周圍應力分布和塑性區半徑的表達式，探究了煤層大直徑鉆孔卸壓機理。

（2）以3305 工作面沿空軌道順槽為背景，研究得出大直徑鉆孔可以有效地改善巷道圍巖應力環境，消除巷道潛在的沖擊危險，然而大直徑鉆孔實施同樣破壞了錨固范圍內圍巖的強度和整體性，加劇了卸壓區域巷道圍巖變形破壞程度，對巷道圍巖控制產生不利影響。

（3）基于防沖卸壓與圍巖變形協同控制原理，提出了采用預制混凝土柱對巷道圍巖淺部錨固區內大直徑鉆孔進行局部非密實充填技術，并進行了現場應用。現場試驗結果表明：鉆孔局部充填后，較未充填區域，兩幫移近量最大值平均減小106%，頂底板移近量最大值平均減小35%，顯著改善了巷道圍巖的穩定性，實現了防沖卸壓與圍巖變形協同控制。